深入探究太阳辐射的特性与影响

太阳能是一种无污染的清洁能源，它的利用越来越受到人们的重视。国际上太阳能利用的蓬勃发展是在70年代石油危机发生后，目前已有完善的太阳能研究体系，并形成了一门新兴的技术和产业。

Tabor在1954年提出的光谱选择性吸收原理是太阳能热利用方面的一个重要突破，为进一步提高集热效率指出了方向。到了70年代末基于对封闭空间自然对流换热的集热器和真空管型、聚光型集热器的一系列传热研究，太阳能集热器的基础理论已比较成熟。从70年代开始到80年代初，对太阳能热系统和被动太阳房的计算机模拟研究，导致对系统的优化设计理论有了较全面的认识。从应用上说，太阳能热水器在世界上已商品化；利用光-电直接转换的太阳能电池是太阳能利用中最有前途的技术之一；在美国运行的太阳能热电站总装机容量已超过40万kW。这些都标志着太阳能集热、储热和热动力循环理论和技术水平已达到一定的高度。太阳热能还应用于工业供热、干燥、海水淡化和制冷等。

太阳辐射有它的特点，为了更有效地利用太阳能，提高经济性，认识这些特点是十分必要的。

太阳是个炽热的气团，它的内部不断地进行核聚变反映，因此产生的巨大能量以辐射方式向宇宙空间发射出去。到达地球大气层外缘的能量，具有如图17-22中较高实线所示的光谱特性，它近似于温度为5762K的黑体辐射。99％的能量集中在λ＝0.2～3μm的短波区域，其最大能量位于0.48μm的波长处。大气条件、季节的变化以及阳光投射在地面上的角度对其强度有着强烈的影响。在大气层外，当地球位于其距太阳的平均距离的位置时，太阳总的入射辐射为1395W/m2，这个数值叫做太阳常数，而且将由以后所收集到的更为精确的实验数据予以修正。

由于大气中的二氧化碳和水蒸气强烈的吸收作用，太阳常数所表示的能量没有全部到达地球表面。投射到地面上的太阳辐射，同样还与大气中尘埃和其他污物的含量有关。当太阳光直射在地球表面上时，到达地面上的太阳能最大。这是因为：（1）相对于入射太阳通量的投影面积较大；（2）太阳光在大气中传播的途径较短，它与太阳光同平面法线有一个入射角的其他情况相比，被大气吸收掉的能量就较少。图17-22表示了大气的吸收作用，其中的数据是晴天在海平面上、而且大气中有适当的水蒸气和尘埃含量的条件下取得的。

从图17-22明显可见，到达地球表面上的太阳辐射，其特性不像理想灰体辐射；而在大气层外的辐射，则相像之处就比较多了。为了确定太阳辐射的当量黑体温度，可以应用光谱中出现最大辐射能的波长（根据图17-22，其值约为0.5μm）和维恩移位定律[方程（17-3）]，计算得知

因此，就热辐射而言，当量的太阳温度约为5800K。

图17-22 以大气状态和入射角为函数的太阳光谱分布

如果所有的材料都表现为灰体的性质，那么分析太阳辐射也不会出现特别反常的问题。然而，与地面上绝大多数的热辐射都是长波辐射完全相反，太阳辐射只是集中在短波范围内。对于这两种类型的辐射，个别的材料可以表现出完全不同的吸收和透射性能。温室是这方面的一个典型例子。普通的玻璃很容易让波长小于2μm的热射线通过，因此它可以把照射到它上面的大部分太阳能透射过去。然而，这种玻璃对于3或4μm以上的长波辐射基本上是不透明的。由于温室内的物体所发出的低温辐射实际上全都是这种长波辐射，所以它们仍然被阻止在房间里面。这样，鉴于玻璃允许进来的辐射比出去的多，因而就产生了为人们所熟悉的加热效应。温室内的物体所吸收的太阳辐射，最后一定要通过温室的外壁面以对流换热的方式散到周围环境中去。

对于不透明的金属和涂漆表面，可以观察到类似的特性，即它们对于太阳辐射的吸收率和反射率不同。许多实例表明，对于太阳辐射总的吸收率和对于像25℃这样某一适当温度黑体辐射的吸收率可以有很大的差别。表17-1给出了某些典型表面对于太阳辐射和对于低温辐射吸收率的比较。正如我们所见到的，两者的差别可能相当大。

表17-1 不同表面对太阳辐射和对低温辐射吸收率的比较

复习思考题

1.何为热辐射？它与导热、热对流有何区别？

2.一个物体，只要温度大于0K，就会不断的向外界辐射能量。试问，它为什么不会因热辐射而使温度逐渐降低至0K？

3.什么叫黑体、灰体和白体？它们分别与黑色物体、灰色物体和白色物体有何区别？

4.钢锭在炉中加热时，随着温度的升高，钢锭的颜色发生由黑→暗红→红→橙黄→白的变化，为什么？

5.从减少冷藏车冷量损失出发，试分析冷藏车外壳上的油漆颜色深点好还是浅点好？

6.一半球形真空辐射炉，球心处有一个尺寸不大的圆盘形黑色辐射加热元件，如图17-23所示。试指出图中A，B，C三处中何处辐射强度最大？何处辐射热流密度最大？

7.何谓表面黑度？实际物体的表面黑度与哪些因素有关？粗糙表面的黑度为什么比光滑表面的黑度大？(www.xing528.com)

8.有人说，物体辐射力越大，其吸收率越大，换句话说，善于发射的物体必善于吸收。你的看法如何？为什么？

9.冬季利用玻璃窖培植蔬菜的道理何在？

图17-23 思考题6用图

10.何为有效辐射？为什么引入有效辐射这一概念？

11.利用辐射换热计算公式，说明改善辐射采暖效果应从哪些因素去考虑。

12.遮热板减少辐射换热的原因是什么？

习 题

1.两块平行放置的平板，其表面黑度均为0.8，温度分别为t1＝327℃及t2＝27℃，板间距离远小于板的尺寸。试计算：（1）板1的本身辐射、反射辐射、有效辐射以及对板1的投射辐射。（2）板2的有效辐射。（3）板1，2间的辐射换热量。

2.柴油机的排烟管为同心套管式，内管的外壁温度t1＝237℃，其外管的内壁温度t2＝67℃，试确定两壁面之间的辐射换热量q（ε1＝ε2＝0.95）。

3.机舱内有一长10m的蒸汽管道，外表包以热绝缘材料后的外径d＝30cm，热绝缘材料外又绑以布带，并漆上黄色油漆，其黑度ε＝0.92，外表面温度t W＝75℃，机舱内温度t＝30℃，求由于辐射换热而造成的热损失是多少？

4.用热电偶测量出管道中热空气的温度t1＝200℃，热电偶套管的黑度和管道内壁的黑度ε1＝ε2＝0.8，管道内壁温度t2＝100℃，并已知空气对热电偶的换热系数α＝46.5W/（m K），求空气的真正温度tf为多少？测试误差为多少？

5.板1和板2平行放置且相距很近。若在它们之间插入一块黑度ε3＝0.08的磨光镍片（板3），试问当ε1＝ε2＝0.8时，板1和板2之间无遮热板的辐射换热量为有遮热板时的多少倍？

6.有两个间距为1m，尺寸为1m×2m的平行平板置于室温t3＝27℃的大房间内。已知两个板的温度和黑度分别是t1＝827℃，t2＝327℃；ε1＝0.2，ε2＝0.5，试计算每个板的净辐射散热量及房间墙壁所得到的辐射热量。

7.有一高为60cm、宽为30cm的垂直平板在壁温为20℃的房间内保持温度为95℃，房间内空气的压力为1atm，温度亦为20℃。若平板的辐射率为0.8，试计算平板散失的热量。

8.在一个大的加热导管中，安装一个热电偶以测量通过导管流动的气体温度。导管壁温为425℃，热电偶所指示的温度的辐射率为0.43，问气体的温度是多少？

9.在晴朗的夜晚，天空的有效辐射温度可取为﹣70℃。假定无风且空气与聚集在草上的露水间的对流换热系数为28W/（m·℃）。试计算为防止产生霜冻，空气所必须的最低温度。计算时可略去露水的蒸发作用，且草与地面间无热传导，并取水的辐射率为1.0。

10.两块面积为90cm×60cm，间距为60cm的平行平板，一块板的温度为550℃，辐射率为0.6；另一块板是绝热的。将这两块板置于一个温度为10℃的大房间内，试求绝热板的温度及加热平板的热损失。

11.熔融石英在0.2～4μm的波长范围内能透射90％的入射热辐射。假设通过石英窗可看到某个热源。问若以瓦为单位，这种材料能透过多少来自黑体的热辐射？黑体的温度分别为：（a）800℃；（b）550℃；（c）250℃；（d）70℃。